第二部分-(III)-激光产生的基本原理.ppt

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1、激光的基本原理及特性第二部分激光产生的基本原理三、激光产生的基本原理（一）、激光的形成及产生的基本条件1、粒子数反转分布反转分布EE1E2n1n2n3En玻尔兹曼分布E1E2n1n2n3单位时间内STE增加的光子数密度单位时间内STA减少的光子数密度激光的基本原理及特性反转分布受激辐射占主导光放大有增益正常分布受激吸收占主导光衰减，吸收N2N1增益介质：处于粒子数反转分布状态的物质为实现粒子数反转分布，要求在单位时间内激发到上能级的粒子数密度越多越好，下能级的粒子数越少越好，上能级粒子数的寿命长些好。第二部

2、分激光产生的基本原理激光的基本原理及特性2、激光器的基本结构STE光子集中在几个模式开放式光谐振腔使特定（轴向）模式的增加,其它（非轴向）模式数逸出腔外，使轴向模有很高的光子简并度。工作物质,光学谐振腔,激励能源是一般激光器的三个基本部分。轴向模非轴向模技术思想的重大突破－F-P光谐振腔第二部分激光产生的基本原理激光的基本原理及特性3、激光产生的基本条件及激光形成过程基本条件：1、实现粒子数反转（粒子数反常分布）2、满足阈值条件（增益大于或等于损耗）激光形成过程：泵浦（抽运）粒子数反转受激放大振荡放大达到阈值激光输

3、出阈值：产生激光所要需的最低能量粒子数反转分布是STE占优势（产生激光）的前提条件依靠外界向物质提供能量（泵浦或称激励）才能打破热平衡，实现粒子数反转激励（泵浦）能源是激光器基本组成部分之一光(闪光灯，激光)、电(气体放电，电注入)、化学、核第二部分激光产生的基本原理激光的基本原理及特性（二）、光学谐振腔及激光的模式1、光腔的构成及稳定条件光学谐振腔的作用：提供反馈和模式选择另：折叠腔、环形腔、复合腔复合腔－腔内加入其它光学元件，如透镜，F－P标准具等(a)闭腔(b)开腔(c)气体波导腔腔的构成与分类h1h2h3半导体

4、激光器介质波导腔2<1,3第二部分激光产生的基本原理激光的基本原理及特性非稳定腔傍轴光线有限次反射后便逸出腔外几何偏折损耗大(高损耗腔)几何光学方法两种不同的腔的理论处理方法,设计方法不同共轴球面镜腔的稳定性条件共轴球面镜腔两反射镜为球面镜,有共同光轴凹面镜R>0;凸面镜R<0;平面镜R＝∞稳定条件:几何偏折损耗稳定腔任何傍轴光线可以在腔内往返无限多次不会逸出腔外几何偏折损耗小(低损耗腔)利用几何光学光线矩阵方法分析腔中的几何偏折损耗第二部分激光产生的基本原理激光的基本原理及特性稳定判据表达式稳定腔其中只

5、适用于简单的共轴球面镜腔(直腔)稳定腔因腔损耗小，适用于中、小功率激光器；非稳腔可用于大功率激光器中，其优点是模体积大，还可限制模式g1g201-11-1g1g2=1g1g2=1第二部分激光产生的基本原理激光的基本原理及特性2、激光器中常用光学谐振腔的结构形式L（1）、平行平面镜腔：R＝R＝∞腔的模体积大，衍射损耗比较大，常用在固体激光器中。12（2）、共焦腔：R＝R＝L，腔的模体积最小，几何损耗小。12（3）、双凹腔：R1R2>L，>L，或者R1L腔的模体积大于共焦腔，一般用于中小功率

6、激光器。（4）、平凹腔：当L＝R/2时为半共焦腔，一般也常用于中小功率激光器。第二部分激光产生的基本原理激光的基本原理及特性2、激光器中常用光学谐振腔的结构形式（5）、实共心腔：R＋R＝1对称共心腔：12（6）、虚共焦腔：R/2＋R/2＝L，12R1R2＝＝L/2非稳腔的特点:具有较大的模体积具有较好的选模能力能实现光束的侧向耦合输出第二部分激光产生的基本原理激光的基本原理及特性3、谐振腔的纵模及驻波条件（1)、模式表示方法及模式特征参数TEMmnq－TransverseElectromagneticwavem,n－横

7、模指数；q－纵模指数模式主要特征：*场分布，谐振频率，往返损耗，发散角沿光轴方向（纵向）场分布E(z)－纵模场分布垂直于光轴方向(横向)场分布E(x,y)－横模（2）、纵模（干涉仪理论）－具有相同的纵向场分布的模式第二部分激光产生的基本原理激光的基本原理及特性L驻波场分布纵模间隔不同的纵模对应腔内不同的驻波场分布纵模序数q对应驻波场波节个数，q很大，不计L（3）、驻波条件（相长干涉条件）模谱nn第二部分激光产生的基本原理激光的基本原理及特性4、横模及横模的形成横模－相同的横向场分布的模式（不同光斑花样）（2）旋转对称

8、TEMmnm－暗直径数；n－暗环数(半径方向)TEM00TEM01TEM02TEM10TEM20TEM30（1）x,y轴对称TEMmnm－X向暗区数n－Y向暗区数TEM00TEM10TEM20TEM03TEM11TEM31基(横)模TEM00光斑轴对称或旋转对称分布取决于增益介质的几何形状增益介质的不均匀或腔内插入其它光学元件（布